CN108342676A - 一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺 - Google Patents

一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光应用技术领域，还涉及一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺。利用皮秒激光对热障涂层粘结层与粘结层界面制备过程进行刻蚀工艺处理，获得界面榫型交错结构，以此来提高等离子喷涂陶瓷层与粘结层之间的结合强度。在高温循环氧化过程中，起到有效调整涂层界面热应力分布状态，改变涂层的集中受力方式，打破TGO等速以及平面推进的生长模式，降低热应力和TGO生长方式对粘结层与陶瓷层结合力的损害。通过热震性实验，粘结层冲击之后的热障涂层寿命得到了大幅提高。本发明的热障涂层界面结构调节方法，工艺简单，操作容易，便于实施。

Description

一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，还涉及一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺。
背景技术
高压涡轮叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机发展的短板。目前，高温合金是高压涡轮叶片采用的主要结构材料，其中，单晶合金的承温能力最高，它能承受的最高温度为1150℃左右，已接近高温合金的承温极限。但是，就涡轮叶片的工况而言，即使采用先进的气膜冷却技术，到达叶片表面的燃气温度仍高于叶片合金的承温极限。针对该问题，国际上公认热障涂层是显著提高发动机服役温度最切实可行的办法。
热障涂层的失效行为非常复杂，许多因素都对涂层寿命产生影响，涂层的裂纹大小与分布；气孔的大小、形状及分布；粘结层的抗氧化性，陶瓷层的相稳定性；热循环过程中应力的大小；各层性能的相容性；各层界面的结合特性等等。但从目前所有研究的报道来看，涂层失效的宏观结果，主要表现热障涂层经过高温循环热作用后粘结层与基体、粘结层与陶瓷层的脱落与剥落上。
皮秒激光的脉宽很短，只有几个皮秒，具有很高的峰值功率。它与材料相互作用时，刻蚀部分热影响很小，产生"冷"加工的效果，避免不必要的热效应，无热影响区，且边缘光滑，因此可利用皮秒激光进行高精密加工。皮秒激光器波长涵盖红外到紫外，可处理的材料范围极广，适用于很多场合的加工应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提高热障涂层粘结层与陶瓷层的结合力，调节热障涂层界面的热应力分布状态，打破因高温氧化形成的界面TGO生长后存在的连片模式，从而提高热障涂层的使用寿命。
实施本发明的装置包括等离子喷涂设备和Nd:YAG激光器及其控制系统，实施不同的后续处理分别采用不同的设备。
本发明技术方案是利用皮秒激光对热障涂层粘结层与粘结层界面制备过程进行刻蚀工艺处理，获得界面榫型交错结构(如图d所示)，调整界面应力分布以及改变TGO生长后存在的模式，实现对热障涂层界面的最佳调控。
1、粘结层制备工艺：
(1)用180目砂纸预磨GH586试样表面；
(2)喷涂前采用高压气体对基体进行喷砂处理；
(3)喷涂的工艺参数如下表1；
(4)粘结层厚度控制在100～150μm。
表1等离子喷涂粘结层工艺参数
2、陶瓷层制备工艺
直接在粘结层表面进行等离子喷涂制备陶瓷层，具体工艺参数如表2所示。陶瓷层厚度控制在45-55μm。
表2等离子喷涂陶瓷层工艺参数
3、皮秒激光刻蚀陶瓷层表面预处理步骤：
(1)将待处理陶瓷层表面用砂纸初步打磨；
(2)将待处理试样装夹在工作台上，打开Nd:YAG皮秒激光器，按照预设程序进行表面刻蚀预处理；
(3)其具体工艺参数如下：
工作波长：1064或532nm；
理论光斑尺寸：20μm；
脉冲宽度为10ps；
脉冲能量为60～80J；
振镜扫描速度：按需要可调
聚焦镜焦距：250mm。
所述的利用皮秒激光冲击获得陶瓷层表面的等腰梯形结构，等腰梯形尺寸为：上底长100-110μm，下底长45-55μm，高45-55μm，等腰梯形槽间距 100-160μm。
4、第二次粘结层制备工艺：
(1)直接在皮秒激光刻蚀的试样表面进行粘结层制备，其热喷涂喷涂的工艺参数如表1.
(2)粘结层厚度控制在45-55μm。
5、第二次陶瓷层制备工艺
(1)对第二次粘结层制备后的试样进行打磨抛光，将试样表面未皮秒激光刻蚀的区域多余粘结层去掉。
(2)在抛光处理后的试样表面进行第二次陶瓷层制备，具体工艺参数如表 2，陶瓷层厚度控制在150～300μm。
本发明的优点：
1、采用皮秒激光，通过皮秒激光刻蚀处理预制的陶瓷层材料表面形成等腰梯形槽结构，以此来提高涂陶瓷层与粘结层之间的结合强度。
2、在表面形成等腰梯形槽结构，改变了传统陶瓷层与粘结层之间因高温氧化形成的热应力分布状态，降低了高温循环氧化过程中，热应力对涂层界面破坏的强度。
3、在表面形成等腰梯形槽结构，改变了传统陶瓷层与粘结层之间因高温氧化形成的TGO存在方式，降低了TGO对粘结层与陶瓷层结合力的损害。
附图说明
图1a为金属合金与过渡层结构示意图。
图1b为金属合金、过渡层和陶瓷层结构示意图。
图1c为等腰梯形凹槽结构示意图。
图1d为榫型结构示意图。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后，但本发明不应仅限与实施例。
实施例1
(1)在镍基高温合金GH4586的5个样件上进行等离子喷涂制备CoCrAlY 涂层，作为热障涂层的粘结层，制备工艺参数见表1。厚度130μm。
(2)在粘结层上喷涂8YSZ涂层，具体工艺参数见表2.厚度52μm。
(3)利用Nd:YAG激光器对陶瓷层表面进行激光刻蚀预处理。具体工艺参数如下：工作波长为1064nm，脉冲宽度为10ps，脉冲能量为60J，聚焦镜焦距为250mm，振镜扫描速度：15mm/s，通过工艺调整与刻蚀加工，在试样表面形成了平行分布的等腰梯形槽结构，其尺寸为：上底长101.6μm，下底长50.5μm，高50.8μm。等腰梯形槽间距大约150.3μm.
(4)在刻蚀好的试样上再次进行等离子喷涂制备粘结层，制备工艺参数见表1，制备的粘结层厚度51.4μm。
(5)采用抛光机对上步制备的试样，进行抛光处理，去除试样上未进行皮秒激光刻蚀区域的多余粘结层，让未刻蚀区域的陶瓷层全部露出。
(6)在上一步抛光试样上，继续进行8YSZ涂陶瓷层的制备，具体工艺参数见表2.其厚度为153μm。
(7)在1100℃进行热震性试验，试样加热至1100℃保温10min，取出置于 22±5℃的水中,进行反复试验，直到试样表面出现涂层脱落.计算每个试样的热震性次数，然后对5个试样进行算术平均。
实验结果表明：经上述处理工艺制备试样的热障涂层的热震性次数平均达到 247次(传统方法制备的热障涂层热震次数平均为38次)。
实施例2
(1)在镍基高温合金GH4586的5个样件上进行等离子喷涂制备CoCrAlY 涂层，作为热障涂层的粘结层，制备工艺参数见表1。厚度131μm。
(2)在粘结层上喷涂8YSZ涂层，具体工艺参数见表2.厚度52μm。
(3)利用Nd:YAG激光器对陶瓷层表面进行激光刻蚀预处理。具体工艺参数如下：工作波长为1060nm，脉冲宽度为10ps，脉冲能量为70J，聚焦镜焦距为250mm，振镜扫描速度：20mm/s，通过工艺调整与多次刻蚀加工，在试样表面形成了平行分布的等腰梯形槽结构，其尺寸为：上底长100.3μm，下底长 50.7μm，高50.6μm。等腰梯形槽间距大约150.5μm.
(4)在刻蚀好的试样上再次进行等离子喷涂制备粘结层，制备工艺参数见表1，制备的粘结层厚度50.4μm。
(5)采用抛光机对上步制备的试样，进行抛光处理，去除试样上未进行皮秒激光刻蚀区域的多余粘结层，让未刻蚀区域的陶瓷层全部露出。
(6)在上一步抛光试样上，继续进行8YSZ涂陶瓷层的制备，具体工艺参数见表2.其厚度为212μm。
(7)在1100℃进行热震性试验，试样加热至1100℃保温10min，取出置于 22±5℃的水中,进行反复试验，直到试样表面出现涂层脱落.计算每个试样的热震性次数，然后对5个试样进行算术平均。
实验结果表明：经上述处理工艺制备试样的热障涂层的热震性次数平均达到 238次(传统方法制备的热障涂层热震次数平均为38次)。
实施例3
(1)在镍基高温合金GH4586的5个样件上进行等离子喷涂制备CoCrAlY 涂层，作为热障涂层的粘结层，制备工艺参数见表1。厚度138μm。
(2)在粘结层上喷涂8YSZ涂层，具体工艺参数见表2.厚度51μm。
(3)利用Nd:YAG激光器对陶瓷层表面进行激光刻蚀预处理。具体工艺参数如下：工作波长为532nm，脉冲宽度为10ps，脉冲能量为80J，聚焦镜焦距为 250mm，振镜扫描速度为30mm/s，通过工艺调整与多次刻蚀加工，在试样表面形成了平行分布的等腰梯形槽结构，其尺寸为：上底长100.2μm，下底长 50.3μm，高50.4μm。等腰梯形槽间距大约105.5μm.
(4)在刻蚀好的试样上再次进行等离子喷涂制备粘结层，制备工艺参数见表1，制备的粘结层厚度50.1μm。
(5)采用抛光机对上步制备的试样，进行抛光处理，去除试样上未进行皮秒激光刻蚀区域的多余粘结层，让未刻蚀区域的陶瓷层全部露出。
(6)在上一步抛光试样上，继续进行8YSZ涂陶瓷层的制备，具体工艺参数见表2.其厚度为248μm。
(7)在1100℃进行热震性试验，试样加热至1100℃保温10min，取出置于22±5℃的水中,进行反复试验，直到试样表面出现涂层脱落.计算每个试样的热震性次数，然后对5个试样进行算术平均。
实验结果表明：经上述处理工艺制备试样的热障涂层的热震性次数平均达到 246次(传统方法制备的热障涂层热震次数平均为38次)。
实施例4
(1)在镍基高温合金GH4586的5个样件上进行等离子喷涂制备CoCrAlY 涂层，作为热障涂层的粘结层，制备工艺参数见表1。厚度138μm。
(2)在粘结层上喷涂8YSZ涂层，具体工艺参数见表2.厚度51μm。
(3)利用Nd:YAG激光器对陶瓷层表面进行激光刻蚀预处理。具体工艺参数如下：工作波长为532nm，脉冲宽度为10ps，脉冲能量为78J，聚焦镜焦距为250mm，振镜扫描速度为28mm/s，通过工艺调整与多次刻蚀加工，在试样表面形成了平行分布的等腰梯形槽结构，其尺寸为：上底长100.5μm，下底长 50.4μm，高50.6μm。等腰梯形槽间距大约150.3μm.
(4)在刻蚀好的试样上进行再次等离子喷涂制备粘结层，制备工艺参数见表1，制备的粘结层厚度50.7μm。
(5)采用抛光机对上步制备的试样，进行抛光处理，去除试样上未进行皮秒激光刻蚀区域的多余粘结层，让未刻蚀区域的陶瓷层全部露出。
(6)在上一步抛光试样上，继续进行8YSZ涂陶瓷层的制备，具体工艺参数见表2.其厚度为250μm。
(7)在1100℃进行热震性试验，试样加热至1100℃保温10min，取出置于22±5℃的水中,进行反复试验，直到试样表面出现涂层脱落.计算每个试样的热震性次数，然后对5个试样进行算术平均。
实验结果表明：经上述处理工艺制备试样的热障涂层的热震性次数平均达到 242次(传统方法制备的热障涂层热震次数平均为38次)。

Claims (7)

1.一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，在金属合金表面制备粘结层，再在粘结层表面制备陶瓷层，其特征在于：再利用皮秒激光刻蚀陶瓷层，构造等腰梯形结构，然后直接在皮秒激光刻蚀的试样表面进行第二次粘结层的制备，再在第二次粘结层的表面进行第二次陶瓷层的制备，在粘结层与陶瓷层界面形成榫型交错结构，从而提高热障涂层的使用寿命。
2.如权利要求1所述的一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在金属合金表面制备粘结层；
(2)再在粘结层表面制备陶瓷层；
(3)利用皮秒激光刻蚀陶瓷层构造等腰梯形结构；
(4)直接在皮秒激光刻蚀的试样表面进行第二次粘结层的制备，将等腰梯形结构填满；
(5)对第二次粘结层制备后的试样进行打磨抛光，将试样表面未皮秒激光刻蚀的区域多余粘结层去掉，露出等腰梯形陶瓷层顶部；
(6)进行第二次陶瓷层制备。
3.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中的粘结层厚度控制在100～150μm。
4.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中的陶瓷层厚度控制在45-55μm。
5.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中的皮秒激光刻蚀工艺参数为：工作波长：1064或532nm；理论光斑尺寸：20μm；脉冲宽度为10ps；脉冲能量为60～80J；振镜扫描速度：按需要可调；聚焦镜焦距：250mm；所述的利用皮秒激光冲击获得陶瓷层表面的等腰梯形结构，等腰梯形尺寸为：上底长100-110μm，下底长45-55μm，高45-55μm，等腰梯形槽间距100-160μm。
6.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中的粘结层厚度控制在45-55μm。
7.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，其特征在于，步骤(5)中的陶瓷层厚度控制在150～300μm。
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